树莓派Linux内核编译
前言
树莓派运行linux系统，内核代码开源，我们可以自己修改内核代码、编写驱动。
本文介绍树莓派内核理解知识，如何获取linux内核代码，并完成编译、内核替换。
基于原文，搭配老师笔记作了改动：http://nicekwell.net/blog/20171108/shu-mei-pai-nei-he-kai-fa-shuo-ming-xia-zai-dai-ma-bian-yi-ti-huan-nei-he.html
树莓派的github主页：https://github.com/raspberrypi，里面包含了linux源码、交叉编译工具链等内容。
对于我们要用到的有两个仓库：
https://github.com/raspberrypi/linux 内核源码
https://github.com/raspberrypi/tools 交叉编译工具链（仅在交叉编译时用到）
注：
1、树莓派里安装的系统镜像版本要和kernel代码对应。因为树莓派系统是在不断开发和升级的，如果你的树莓派使用的是某个时间的系统镜像，那么最好也使用当时的kernel代码。
2、关于内核编译方法，官网有很详细的介绍：https://www.raspberrypi.org/documentation/linux/kernel/building.md，这里算是翻译和补充。
3、以下编译过程在树莓派1和树莓派3B上测试ok。
芯片启动过程
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C51、STM32(裸机)是C直接操控底层寄存器实现相关业务，属于业务流程型的裸机代码。比如：
遥控灯： while(1)
垃圾桶：WemosD1 LOOP
恩智浦智能车： stm32 -
X86、Intel、windows
启动过程： 电源——> BIOS——>windows内核——>C，D盘——> 程序启动（QQ） -
嵌入式产品： 树莓派，mini2440, mini6410,nanopi,海思，RK（瑞芯微）
启动过程： 电源——>BootLoader（引导操作系统启动）——>Linux内核——>文件系统（根据功能性来组织文件夹，带访问权限）——>KTV点歌机、人脸识别打卡器、智能家居主控。 -
安卓
启动过程： 电源——>fastBoot/Bootloader——>linux内核——>文件系统——>虚拟机——>HOME应用程序——>点某图标打开某APP
BootLoader：
Bootloader启动大多数都分为两个阶段。第一阶段主要包含依赖于CPU的体系结构硬件初始化的代码，通常都用汇编语言来实现。第二阶段通常用C语言完成，以便实现更复杂的功能，也使程序有更好的可读性和可移植性。
一阶段：让CPU 跟内存、FLASH、串口、IIC、IIS、数据段打交道，驱动这些设备（汇编和C结合）
二阶段：引导Linux内核启动 （纯C）
树莓派Linux源码目录树分析
arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录。和32位PC相关的代码存放在i386目录下，其中比较重要的包括kernel（内核核心部分）、mm（内存管理）、math-emu（浮点单元仿真）、lib（硬件相关工具函数）、boot（引导程序）、pci（PCI总线）和power（CPU相关状态）。
block：部分块设备驱动程序。
crypto：常用加密和散列算法（如AES、SHA等），还有一些压缩和CRC校验算法。
Documentation：关于内核各部分的通用解释和注释。
drivers：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录。
fs：各种支持的文件系统，如ext、fat、ntfs等。
include：头文件。其中，和系统相关的头文件被放置在linux子目录下。
init：内核初始化代码（注意不是系统引导代码）。
ipc：进程间通信的代码。
kernel：内核的最核心部分，包括进程调度、定时器等，和平台相关的一部分代码放在arch/*/kernel目录下。
lib：库文件代码。
mm：内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在arch/*/mm目录下。
net：网络相关代码，实现了各种常见的网络协议。
scripts：用于配置内核文件的脚本文件。
security：主要是一个SELinux的模块。
sound：常用音频设备的驱动程序等。
usr：实现了一个cpio。
在i386体系下，系统引导将从arch/i386/kernel/head.s开始执行，并进而转移到init/main.c中的main()函数初始化内核。
以上来自：https://www.cnblogs.com/senior-engineer/p/4929703.html
Linux内核大约1.3w个C文件，1100w行代码，Linux是开源免费的、由LInux开源社区工作者共同维护的、支持多架构多平台的、可移植性非常高的类Unix操作系统。
通常Linux内核编译出来就几个M（4M）
前面谈到1.3w个文件，那为什么会这么小呢？
因为Linux支持多平台，多架构，所以编译之前要配置，配置成适合的目标平台来用。比如我们常见的平台架构：
ARM：海思 友善之臂 RK 树莓派 nanoPi
X86
PowerPC
MIPS
在Linux下可以通过两种方式加载驱动程序：静态加载和动态加载。
静态加载就是把驱动程序直接编译进内核，系统启动后可以直接调用。静态加载的缺点是调试起来比较麻烦，每次修改一个地方都要重新编译和下载内核，效率较低。若采用静态加载的驱动较多，会导致内核容量很大，浪费存储空间。
动态加载利用了Linux的module特性，可以在系统启动后用insmod命令添加模块(.ko)，在不需要的时候用rmmod命令卸载模块，采用这种动态加载的方式便于驱动程序的调试，同时可以针对产品的功能需求，进行内核的裁剪，将不需要的驱动去除，大大减小了内核的存储容量。
在台式机上，一般采用动态加载的方式；在嵌入式产品里，可以先采用动态加载的方式进行调试，调试成功后再编译进内核。
树莓派Linux源码配置
驱动代码的编译需要一个提前编译好的内核，而编译内核就必须配置，配置最终会生成 .config文件，该文件指导Makefile去把有用的东西组织成内核。
linux源码中有很多工程：
树莓派1的工程是bcmrpi_defconfig；
树莓派2、3的工程是bcm2709_defconfig。
厂家配给linux内核源码，比如说买了树莓派，配给树莓派linux内核源码，一般我们有三种方法配置。
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第一种方式：
cp 厂家给的.config .config
将我们厂家给的.config完全copy到自己的.config上。 -
第二种方式：
make menuconfig 一项项配置，通常是基于厂家的config来配置 -
第三种方式：
完全自己来
tips：find -name *_defconfig查看config
如何配置树莓派的Linux内核
驱动两种加载方式：
* -----编译进内核 zImage包含了驱动
M-----模块方式生成驱动文件xxx.ko 系统启动后，通过命令inmosd xxx.ko 加载
内核配置：
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig
其中参数：
1、ARCH=arm指定ARM架构
2、CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-指定编译器工具链
3、KERNEL=kernel7树莓派
4、make bcm2709_defconfig主要核心指令
树莓派Linux内核编译
安装必要的库：
sudo apt-get install bc
sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev
sudo apt-get install zlib1g:i386
sudo apt-get install libc6-i386 lib32stdc++6 lib32gcc1 lib32ncurses5
1、编译：
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs
指定用多少电脑资源进行编译
其中参数：
zImage生成内核镜像
modules要生成驱动模块
dtbs生成配置文件
2、编译成功后，看到源码树目录多了vmlinux,失败则无此文件
成功后，目标zImage镜像arch/arm/boot底下
3、打包zImage成树莓派可用的xxx.img
./scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage ./kernel_new.img
挂载树莓派sd卡，并安装编译出的DIRECTLY 到sd卡
4、数据拷贝
dmesg命令查看底层硬件数据
4.1、mkdir data1 data2创建两个文件夹用于挂载
4.2、挂载U盘
tips : lsblk查看磁盘分区情况
sudo mount /dev/sdb1 data1 一个fat分区，是boot相关的内容，kernel的img
sudo mount /dev/sdb2 data2 一个是ext4分区，也就是系统的根目录分区。
4.3、安装modules, 设备驱动文件： hdmi usb wifi io …
sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make INSTALL_MOD_PATH=/home/sxh/data2 modules_install
4.4、安装更新 kernel.img 文件，注意镜像名字是kernel7.img
先备份
cd /home/sxh/data1
cp kernel7.img kernel7Old.img
再把编译新生成的拷贝到data1，起名kernel7.img
cp kernel_new.img /home/sxh/data1/kernel7.img
4.5、拷贝配置文件
cp arch/arm/boot/dts/.*dtb* /home/sxh/data1
cp arch/arm/boot/dts/overlays/.*dtb* /home/sxh/data1/overlays/
cp arch/arm/boot/dts/overlays/README /home/sxh/data1/overlays/
更新完成后插回树莓派即可开机，开机后可以用 uname -r 命令查看kernel信息已经改变。
树莓派本地编译
1、配置编译环境
在ubuntu里交叉编译时需要配置的环境变量有：
- PATH: 添加交叉工具链的目录
- ARCH: 配置成arm
- CROSS_COMPILE: 配置成ubuntu上使用的交叉工具链arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7
- KERNEL: 配置成kernel7
而在树莓派本地编译：
关于交叉工具链，本身的编译工具就可以编译给自己使用，所以不用配置；
只需要配置 KERNEL=kernel7 即可。
和上面相同，可以用 export KERNEL=kernel7，一次设置之后此终端里所有命令都带有此环境变量。
也可以更进一步写成脚本，不过这里这一行命令很简单，不写脚本也可以。
2、配置config
和上面一样，
树莓派1使用的是 bcmrpi_defconfig，
树莓派2、3使用的是 bcm2709_defconfig。
例：KERNEL=kernel7 make bcm2709_defconfig
如果要使用树莓派自带的config的话：
sudo modprobe configs # 加载模块
zcat config.gz > .config # 获取配置
3、编译
安装必要的库：
sudo apt-get install bc
sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev
sudo apt-get install zlib1g
sudo apt-get install libc6
3.1、执行menuconfig
KERNEL=kernel7 make menuconfig
没什么要改的话就不用执行这一步。
3.2、编译
KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs 2>&1 | tee build.log
以n进程编译。不指明几进程的话则默认以单进程编译。
3.3、打包zImage文件
直接用linux源码包里的工具：
./scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage ./kernel_new.img
在本目录生成一个kernel_new.img文件，这个文件就是要放到sd卡中的文件。
4、更新系统
4.1、安装模块
sudo make modules_install
4.2、复制dtb文件
sudo cp arch/arm/boot/dts/.dtb /boot/ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/.dtb* /boot/overlays/ sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/README /boot/overlays/
4.3、更新kernel.img文件
sudo cp arch/arm/boot/zImage /boot/$KERNEL.img